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La mucoviscidose
ou fibrose kystique (CF = cystic fibrosis - OMIM 219700)

en travaux 12/2012

 

 

 

 

Autres pages sur ces questions :
- la
phénylcétonurie
- l'
alcaptonurie

Plan

Le but de cette page n'est en rien de se substituer aux innombrables sites, notamment médicaux, qui donnent des informations extrêmement précises sur les découvertes et espoirs liés à cette maladie. Pour nous, en classe de 1èreS, et dans la continuité du cours de biologie moléculaire, le but est de présenter puis de questionner le modèle de maladie génique.

Sources

La mucoviscidose, M. Welsh et A. Smith, 1996 Pour la science, février 1996, 220
Cystic Fibrosis, Welsh and Smith. Scientific American 1995, 273, 52-59 (en anglais en ligne)
Mucoviscidose : à la recherche des mutations génétiques en cause, Steven Rowe, John Clancy et Eric Sorscher, Pour la Science, 413, mars 2012, pp 64-69 ; un article écrit par des médecins qui n'apporte aucun élément nouveau si ce n'est leurs espoirs concernant quelques médicaments ciblés sur le CFTR...
Mucoviscidose et Gène CFTR, Fanen P, Hasnain A., 2001, Atlas Genet Cytogenet Oncol Haematol. September 2001

Cystic fibrosis, Brian P O'Sullivan, Steven D Freedman, Lancet 2009, 373, 1891-904; article de synthèse le plus récent trouvé (accès restreint)
Caractérisation fonctionnelle de mutants CFTR naturels : intérêt pour la mucoviscidose, M-C Romey, 2006, Annales de Biologie Clinique. Volume 64, Numéro 5, 429-37, Septembre 2006, Revue générale (
texte, images en PDF) résumé très bien fait sur le gène, la protéine et ses nombreux rôles cellulaires
Génétique, dépistage et épidémiologie de la mucoviscidose, Mireille Claustres, 1998, Médecine thérapeutique / Pédiatrie. Volume 1, Numéro 3, 261-8, Mai-Juin 1998, Biologie (
texte, images)
Journal of Cystic Fibrosis, revue scientifique et médicale spécialisée
Cystic Fibrosis Mutation Database; une base de données spécialisées dans les quelques 1932 mutations connues du gène CFTR
Variant Cystic Fibrosis Phenotypes in the Absence of CFTR mutations, J.D. GROMAN et al., N Engl J Med, Vol. 347, No. 6 August 8, 2002 - un article où un phénotype malade (deux critères habituels des 3 "piliers") en absence de mutation n'est pas rapporté à une mutation inconnue, mais à d'autres facteurs.
Un
cours de médecine parmi tant d'autres du Prof. FEREC de Brest où tout raisonnement qui suggérerait une remise en cause du modèle génétique moléculaire est banni. La mucoviscidose est strictement une maladie génique et tout diagnostic qui ne permet pas de trouver une mutation connue en rapport avec le phénotype observé (quand même 1 à 2% des diagnostics) est considéré comme provisoire et dû à l'état insuffisant de la technique. La seule concession faite est que la relation génotype -phénotype exprime une grande variabilité individuelle (rapportée à des déterminants épigénétiques ou environnementaux) : on ne sort pas du modèle, même si l'on reste tout de même médecin !
L'
avis 097 du Comité national d'éthique du 11 janvier 2007 pose de bonnes questions même s'il comporte une certaine maladresse : il me semble qu'il serait nécessaire de préciser d'abord quand il parle de modèle (p3) puis qu'il en montre les limites en raisonnant cette fois sur de vrais chiffres (p6). « Mais ces mutations à elles seules ne permettent pas de prédire l'expression de la maladie : des gènes « modificateurs » (et des facteurs de l'environnement) peuvent, chez des personnes présentant les mêmes mutations alléliques CFTR, influencer la survenue et le développement de la maladie. Pour certains allèles CFTR, les personnes doubles hétérozygotes peuvent même ne pas développer la maladie».
Voir aussi p8 « Il est vrai qu'il existe une discordance entre les tests génétiques qui doivent faire l'objet d'un consentement, car ils sont porteurs d'une information prédictive, et les tests dits phénotypiques (c'est-à-dire établissant des caractéristiques morphologiques ou biologiques) qui peuvent être faits sans consentement, même s'ils traduisent une maladie d'origine génétique. Mais la différence est que, par nature, le test phénotypique, quand il est positif, renseigne non pas obligatoirement sur une maladie, mais sur une particularité du fonctionnement de l'organisme. En revanche, le test génétique met en évidence une séquence particulière d'un gène qui peut n'avoir strictement aucune traduction fonctionnelle. On peut considérer que cette différence radicale, en termes de consentement, entre un test génétique et un test phénotypique est liée à une forme de « sacralisation » des gènes, et à une notion très répandue bien qu'erronée de déterminisme génétique absolu. Pourtant, cette différence pourrait aussi être comprise - ce qui n'est malheureusement souvent pas le cas - comme une protection de la personne contre une surinterprétation de résultats d'analyses génétiques dont la conséquence fonctionnelle est souvent loin d'être évidente ».

Sources d'images et de données numériques:
chromosome 7 (
MapWiever)
gène CFTR (
Base Entrez)
modèles de la protéine CFTR (
SVT Lyon)

Résumé:
La mucoviscidose est la maladie rare grave la plus fréquente en Europe (prévalence de 1/2000 à 1/7000 naissances selon les régions). Elle est le modèle de maladie génique, car depuis les années 1990, il n'est pas rare que l'on n'envisage pratiquement plus d'autre cause à l'ensemble des symptômes qu'une anomalie liée au gène codant un canal chlore (CFTC: cystic fibrosis transmembrane conductance regulator : régulateur de conductance transmembranaire de la fibrose kystique).
Par contre, des progrès ont été réalisés dans le traitement des symptômes et l'espérance de vie n'a cessé d'augmenter chez les malades.

En fait la mucoviscidose pose deux questions principales :
- la liaison entre génotype et phénotype : malgré toutes les avancées scientifiques sur la connaissance du gène CFTR, le modèle génique reste un modèle qui est loin de rendre compte de la variabilité individuelle;
- les développements qui se font dans le cadre de ce que l'on appelle la médecine prédictive (qui va du conseil génétique familial au test in utero en passant par la détection à l'échelle nationale par le test du trypsinogène non spécifique); strictement inféodés au modèle génique, ils conduisent à des actes eugéniques qui n'ont rien de médical.


1 - La plus fréquente des maladies rares européennes

source Fanen, 2001 ; O'Sullivan et Freedman, 2009

Histoire


photos d'archive indiquant la méthode pour récolter la sueur des nourrissons (sac plastique) et des jeunes enfants (plastique associé à des papiers absorbants). - (protocole moderne ici)

La description de la mucoviscidose comme une maladie répertoriée, associée à un groupe de symptômes, date de la fin des années 30, 1938 pour une description complète par Andersen. Le nom de fibrose kystique (en anglais cystic fibrosis = CF) qui se réfère à l'association entre une fibrose kystique congénitale du pancréas (anomalies sécrétoires) et des bronchectasies (dilatations des bronches) a été préféré à mucoviscidose, qui se réfère aux sécrétions excessives de mucus épais ("visqueux") au niveau des poumons et de l'appareil digestif notamment..

En 1953, Di Sant'Agnese met en évidence un excès de chlorure de sodium dans la sueur des enfants atteints. Cette découverte conduira, peu après, à la mise au point du "test de la sueur", principal test de diagnostic positif de la maladie, assez efficace sur les enfants, mais moins sur les nouveau-nés.

Dans les années 80, l'anomalie du transport de sels fut précisée (Quinton 1983) : défaut de perméabilité aux ions chlorure (Cl-) affectant les cellules épithéliales des glandes sudoripares, et au niveau de l'épithélium respiratoire (Knowles 1983) .

Épidémiologie

on peut suivre l'épidémiologie en France sur le site de l'INVS
(Institut National de Veille Sanitaire)

ancienne page statistiques/probabilités


La mucoviscidose est la plus fréquente des maladies héréditaires graves de type autosomique récessif (voir ci-dessous)) dans les populations d'origine européenne. Mais il existe de grandes disparités entre pays et entre régions : entre 1/2000 et 1/7000 naissances (29.095 malades en Europe en 2010 - dont 1128 décédés dans l'année - EurocareCF, Journal of Cystic Fibrosis 9 (2010) S5-S21)). En France,on a environ 250 nouveaux cas par an avec un chiffre moyen de 1 malade sur 2500 naissances, ce qui est élevé par rapport à d'autres pays. On évalue le nombre de sujets atteints, quelque soit leur âge, à 4533 personnes en France en 2010, ce qui, sur une population de 64,3 millions, montre bien que cette maladie reste une maladie rare (la prévalence en Europe est évaluée à 0,737/10.000 (voisine de celle des États-Unis qui est de 0,797/10,000) à comparer avec la prévalence totale des cancers estimée à près de 3,4% (340/10.000) de la population française).


La mucoviscidose est une maladie de l'enfance : malgré l'augmentation de l'espérance de vie, la pyramide des âges des malades en 2010 en Europe montre bien que les jeunes malades sont de loin les plus nombreux (médiane à 20 ans). (source EurocareCF 2010 - image modifiée)

Clinique

 

 


Épithélium bronchique sain
(on distingue les cellules épithéliales ciliées avec leur bordure rose et les cellules sécrétant le mucus au contenu clair).
La
diapositive suivante montre une coupe de tissu pulmonaire sain en regard avec un poumon atteint d'une infection pulmonaire dont les sécrétions remplissent les cavités (images aux rayons X de poumons atteints de diverses bronchopneumonies); Atlas d'histologie médicale BROWN.

Symptômes et diagnostic

C'est une maladie très polymorphe dont les symptômes peuvent être très légers ou très graves et conduire à un mort rapide. Cependant la maladie reste mortelle même si l'espérance de vie n'a cessé d'augmenter . La survie moyenne des patients atteints de mucoviscidose en traitement moderne est actuellement de 40 ans. Avec la transplantation pulmonaire et sa survie moyenne à cinq ans de plus de 70 %, l'âge de ces patients va continuer d'augmenter.

Cette maladie héréditaire, à évolution généralement fatale dans l'enfance il y a 20 ans (sans traitement, l'espérance de vie a pour médiane 3-5 ans), est donc devenue une maladie chronique de l'adulte.

Causes du décès associées directement à la maladie: affection respiratoire ; infection, grippe, mycose....(70%), pathologie cardiaque (13%), complications de soins médicaux et chirurgicaux (8%), appareil digestif (7%) ...

Chez 10 % des nouveau-nés atteints, on observe un iléus méconial (occlusion intestinale due à un méconium - les premières selles de couleur verte - anormalement épais).
Le premier signe clinique, chez pratiquement tous les patients, est l'atteinte respiratoire avec obstruction des bronchioles par un mucus épais et visqueux propice à l'hébergement de microorganismes qui conduisent à des infections bronchiques à répétition. Ces infections, notamment les pneumonies, finissent pas tuer le malade.
Le second signe clinique, observé chez 85,% des patients, est digestif et lié à l'insuffisance de production d'enzymes par le pancréas qui cause une mauvaise digestion des lipides et une mauvaise absorption intestinale. Selon l'importance de ce dysfonctionnement pancréatique, on considère la maladie comme modérée ou grave.

98,% des hommes atteints sont stériles (les canaux déférents sont obstrués et les spermatozoïdes ne passent plus) alors que 80,% des femmes atteintes sont fertiles.

Le foie est aussi atteint dans de nombreux cas.

Le diagnostic principal où l'on mesure un paramètre (qualifié pour cela de positif en liaison avec la philosophie positive) est le test de la sueur. Ce test repose sur un excès de chlorure de sodium dans la sueur du fait du mauvais fonctionnement de l'épithélium de la peau qui peut conduire à une forte déshydratation en cas d'exposition à la chaleur. Chez le nourrisson de moins de 2 mois, le risque d'erreur peut atteindre 30 % en raison de la faible quantité de sueur récupérable, et en considérant qu'un test positif est efficace à 100%. On considère qu'un taux de chlorures dans la sueur inférieur à 40 mmoles/l est normal. Pour des taux compris entre 40 et 60 mmoles/l, l'interprétation est douteuse et il faut recommencer le test. Le diagnostic est considéré comme positif lorsqu'on obtient des taux supérieurs à 60 mmoles/l (sur plusieurs examens successifs).
D'autres tests plus anciens et non spécifiques comme le dosage de l'albumine dans le méconium (BM test) ou celui de la trypsine immunoréactive dans le plasma du nouveau (utilisé en dépistage systématique notamment en Bretagne). Enfin il existe un test qui mesure une différence de ddp transmembranaire entre les épithéliums de peau et de muqueuse nasale.


Soins

S'il n'existe aucun traitement pour guérir de la mucoviscidose, les soins augmentent grandement l'espérance de vie. Bien évidemment la recherche tente de mettre au point des thérapies plus efficaces pour soigner non plus les symptômes, mais les causes -réelles ou supposées - de la maladie.

Quelques traitements symptomatiques : kinésithérapie respiratoire, antibiothérapie, nébulisation de bronchodilatateurs et mucolytiques, administration d'inhibiteurs de protéases pour les manifestations pulmonaires et apport d'enzymes pancréatiques de substitution et de vitamines pour pallier à l'insuffisance pancréatique. Le recours à une transplantation coeur-poumon voire triple coeur-poumons-foie n'a eu lieu que dans les atteintes très évoluées, mais les résultats sont encourageants, le problème majeur restant le nombre insuffisant d'organes disponibles.

Les thérapies envisagées semblent toutes se faire dans le cadre de l'hypothèse de la maladie génique associée au dysfonctionnement du canal chlore CFTR, ce qui permet d'envisager une thérapie génique et des médicaments ciblés sur l'expression du gène...


2 - Une maladie héréditaire récessive autosomale au sens de Mendel

Étant donné le caractère fortement héréditaire de la maladie (le risque d'avoir un enfant atteint dans une famille où l'on a déjà eu un enfant atteint est plus élevé que si aucun malade n'est connu dans la famille), on a très tôt appliqué le raisonnement issu de la théorie chromosomique de Mendel-Morgan datant des années 1900 (voir ancien cours de spécialité TS : page sur Mendel, page sur Morgan).

Selon cette théorie (modèle):
- La maladie héréditaire est portée par un chromosome au niveau d'un gène héréditaire (localisé sur le chromosome en un lieu appelé locus).
- Comme deux parents sains peuvent avoir un enfant malade, le gène est considéré comme récessif (alors que sinon, il serait dominant). Comme la maladie touche aussi bien les garçons que les filles, le gène est considéré comme autosomal (porté par un autosome, et non un chromosome sexuel ou gonosome). Le gène héréditaire peut donc se trouver sous deux formes (ou allèles) : une forme saine (par exemple notée m+) et une forme délétère (notée m-). On représente habituellement le génotype (ensemble des deux allèles portés par chaque individu de part et d'autre d'une (simple ou double pour signifier les 2 chromosomes) barre de fraction.

Les génotypes possibles sont donc m+//m+, sain ; m+//m-, porteur, mais de phénotype sain, car l'allèle m- est récessif par rapport à l'allèle m+; m-//m-, la personne est malade.


un arbre généalogique très théorique
(présentant les 4 cas possibles de descendants) d'une transmission héréditaire d'un gène autosomal récessif (génotypes : porteur sain = figuré semi-noirci; malade = noir, sain = blanc)

Ce formalisme date donc des tout débuts du XXème siècle. C'est le formalisme des maladies héréditaires au sens de Mendel-Morgan, que l'on peut aussi qualifier de maladie génétique, mais en faisant bien attention au sens du mot gène, qui désigne ici un gène héréditaire, portion de chromosome qui porte la maladie..


3 - La découverte du gène CFR et le modèle de maladie génique

Qu'est-ce qu'un gène ?

1ère S - Biologie moléculaire

A la suite des découvertes de la biologie moléculaire et des fonctions de l'ADN (dans les années 1960), la théorie de l'information génétique (voir cours de 1èresS) a développé une autre notion du gène - le gène moléculaire - qui est un portion d'ADN (et non plus de chromosome, du moins dans un premier temps car il y a un changement d'échelle phénoménal) qui est associé (avec certaines séquences de régulation) à la synthèse d'un ARN (par transcription) et le plus souvent d'une protéine (par traduction de l'ARNm transcrit et épissé). C'est donc une unité de synthèse d'un produit (ARN puis protéine).

Depuis 50 ans les biologistes moléculaires tentent de fusionner les deux notions - gène héréditaire / gène moléculaire - sans franchement y arriver, sauf dans quelques cas considérés comme emblématiques, dont la mucoviscidose, du moins en première analyse.

C'est pourquoi la mucoviscidose est un exemple si souvent utilisé : il est considéré comme l'exemple type d'une maladie génique , c'est-à-dire une maladie associée à un seul et unique gène moléculaire.


*Anderson MP, Gregory RJ, Thompson S, Souza DW, Paul S, Mullingan RC et al. : Demonstration that CFTR is a chloride channel by alteration of its anion selectivity. Science 1991;253:202-4

Il faudra attendre 1985 pour que l'on positionne le locus du gène héréditaire (noté CF pour cystic fibrosis) sur le bras long du chromosome 7 grâce à la technique du clonage positionnel (la transmission héréditaire du locus CF est liée à celle d'un site qu'on est arrivé à localiser).

En 1989, on localise un gène moléculaire (nommé CFTR : cystic fibrosis transmembrane conductance regulator : régulateur de conductance transmembranaire de la fibrose kystique) dans cette même région de l'ADN du chromosome 7 (bande 7q31) qui code pour une protéine dont on ne connaît pas encore le rôle, mais qui semble associée à la mucoviscidose.

C'est en 1991* qu'Anderson et son équipe démontront le rôle de canal chlore pour la protéine CFTR.


La protéine CFTR comprend deux domaines avec chacun 6 hélices alpha insérées dans la membrane (membrane-spanning domains : MSD1 et MSD2), et 3 domaines cytoplasmiques dont 2 domaines de liaison aux nucléotide ATP (nucleotide-binding domains : NBD1 et NBD2) et une région régulatrice (regulatory region : R). Modèle extrait de Phenylalanine-508 mediates a cytoplasmic-membrane domain contact in the CFTR 3D structure crucial to assembly and channel function, Adrian W. R. Serohijos et col., PNAS March 4, 2008 vol. 105 no. 9 3256-3261


On trouve la CFTR exprimée au niveau de la membrane de nombreuses cellules épithéliales et sanguines. Elle est associée à un réseau de protéines membranaires et cytoplasmiques extrêmement complexe.

C'est l'occasion de rappeller ici l'organisation structurée du cytoplasme (voir par exemple ce schéma dans Au-delà de la cellule). La CFTR est en position membranaire et fait partie intégrante d'un COMPLEXE moléculaire dynamique qui comprend aussi le réseau de la cytomatrice (notamment des filaments d'actine). Les produits d'une réaction chimique sont les substrats de la réaction suivante et passent immédiatement d'un complexe enzymatique à l'autre par canalisation (chanelling).

un exemple de complexe :

« Bien que la CFTR fonctionne principalement comme un canal à chlore, elle a de nombreux autres rôles notamment en inhibant le transport de sodium par les canaux sodium, en modifiant les canaux à ATP, dans le transport intracellulaire des vésicules, dans l'acidification des organites intracellulaires et en inhibant les canaux à chlore Ca-dépendants CFTR est aussi impliquée dans les échanges bicarbonate-chlorure. Une déficience dans la sécrétion de bicarbonate conduit à la faible solubilité et à l'agrégation des mucus sécrétés dans les lumières des conduits recouverts d'épithélium (pancréas et appareil digestif, bronches et appareil ventilatoire...)» O'Sullivan et Freedman, 2009 (trad. personnelle) - voir ci-dessous des détails sur les hypothèses sur les causes physiologiques de la maladie.

 

Les fonctions de la protéine CFTR sont loin d'avoir été totalement explorées (voir l'interactome ci-contre ->). Elle semble non seulement avoir un niveau d'expression différent, mais aussi jouer des rôles différents selon le type de tissu épithélial (canaux pancréatiques, tissu bronchique, glandes sudoripares, glandes intestinales, tubules rénaux, appareil génital....) et l'âge (période fœtale, embryonnaire...).

 


Une vue de l'interactome
(ensemble des relations moléculaires au sein d'une cellule)
de la protéine CFTR
(= graphe des relations existant entre lla protéine CFTR et d'autres protéines)

Une carte d'activation des réactions chimiques impliquées dans de la fixation de certaines espèces bactériennes (P. aeruginosa) à la surface épithéliale rend compte aussi de la complexité des réseaux mis en évidence.


polymorphisme génique

Pour les biologistes moléculaires qui sont persuadés qu'il y a une identification complète gène héréditaire-gène moléculaire, les allèles sont des séquences du gène.

*De même , dans le cadre de la théorie de l'information génétique toute variation de séquence est apellée mutation de façon abusive (voir cours 1èreS) .

Plus les années passent plus on connaît de mutations* dans le gène CFTR.

Pour les 10 mutations les plus fréquentes (dont la principale - la délétion ΔF508 du codon codant pour l'aa n°508 (la phénylalanine) de la CFTR - il existe des kits commerciaux de dépistage rapide.

Anticipant sur la liaison génotype-phénotype, que nous traiterons ensuite, les mutations sont classées comme sévères ou légères en fonction de la gravité de la maladie observée. Mais ensuite, il faut bien noter que ce n'est pas la possession de deux "allèles" (forme génique) qui détermine la sévérité de la maladie, c'est juste une appellation. De plus il faut bien considérer que la MAJORITÉ des mutations donnent lieu à des formes fonctionnelles de la protéine CFTR qui ne conduisent donc à aucune déficience métabolique et ne sont donc pas reliées à la maladie (Sequ Var. de la figure ci-dessous).

Comme le veut la théorie d'une maladie héréditaire génique, ceux qui n'ont qu'un seul exemplaire du gène CFTR muté (qu'on qualifiera de "porteur sain") ne sont pas du tout malades (en fait il serait plus exact de dire que la possession d'un seul gène moléculaire fonctionnel de la protéine CFTR empêche toute apparition d'un quelconque symptôme de la maladie).

Selon le formalisme d'une maladie génique la possession de deux allèles récessifs (m-//m-) conduit obligatoirement à une forme de maladie, pus ou moins sévère selon l'environnement et ce que l'on appelle souvent à tort les facteurs épigénétiques qui sont la plupart du temps des facteurs génétiques qui modulent l'activité du gène muté. On fait on obtient un résultat de 87,8 + 11,3 = 99,1 %. Il reste 0,9 % des malades qui n'ont pas mutation détectée.

Chez les malades chez qui on fait une analyse génétique cherchant à déterminer la présence d'une mutation on obtient :
- 87,8 % ont 2 mutations "sévères"
- 11,3 % ont 1 mutation sévère + 1 mutation "modérée"
- 0,9 % n'ont pas de mutation.

« Au terme de cette recherche, il reste environ 1 à 2 % des sujets atteints de mucoviscidose (selon l'origine géographique ou ethnique) pour lesquels au moins une mutation n'est pas caractérisée. Il est probable qu'il s'agit chez ces patients de mutations introniques ou de mutations situées dans les régions régulatrices en 5' ou en 3' du gène. » (Ferec, 2011 )

On voit donc ici que M. Ferec, dans le cadre de l'interprétation génique, suppose que les malades sans mutation sur leur gène CFTR portent des mutations que l'on qualifierait d'épigénétiques.


Emplacement des quelque 1932 mutations connues (au 18/11/2012) dans les 27 exons de l'ARNm codant pour la protéine CFTR (http://www.genet.sickkids.on.ca/PicturePage.html); les mutations sont classées en fonction du mécanisme qui leur donne naissance: Missense (= erreur de traduction), Nonsense (= arrêt de la traduction),Frameshft (=décalage du cadre de lecture, ce qui implique que plusieurs aa diffèrent dans la chaîne polypeptidique), Inframe In/del (= délétion ou insertion modifiant la chaîne en aval du site de modification), Splicing (= modification lors de l'épissage), Promoteur (mutation dans le site promoteur où se fixent les systèmes ARNpolymérase), Sequ.Var. (variants de la séquence polypeptidique qui ne donnent pas lieu à une forme non fonctionnelle et donc délétère de la CFTR = polymorphisme de séquence). Comme d'habitude, par extension, les exons et introns sont donnés avec la séquence de l'ADN dont ils sont issus par transcription.


Cystic fibrosis, Brian P O'Sullivan, Steven D Freedman Brian O'Sullivan P, Steven Freedman D, 2009, The Lancet, 373, 1891

(les mutations sont notées pour l'ADN avec le n° de la base modifiée, ancienne et nouvelle base séparées par une flèche ou code (X = del, ins = insertion); le signe + indique le début de l'intron (et le deuxième n° la position de la base dans l'intron). Pour les chaînes polypeptidiques c'est le n° de l'aa encadré par l'ancien et le nouvel aa )

Si l'on s'efforce de classer les mutations en fonction à la fois de la gravité des symptômes associés et des mécanismes supposés où la mutation provoque une modification physiologique on obtient 5 classes:

classe I : la protéine n'est pas synthétisée ; à cause par exemple d'un codon stop qui bloque la transcription (ex: Gly542X) ou un défaut d'épissage (711+1G ->T)
classe II :
la protéine est non fonctionnelle et n'atteint pas la membrane (ou presque pas), elle est détruite au cours de la maturation dans le RE ou le Golgi (par ex; ΔF508 = Phe508del, la mutation "sévère" la plus fréquente);
classe III :
la protéine est en place, mais non fonctionnelle (elle n'est pas activée par l'ATP ou l'AMPcyclique) (par ex: Gly551Asp, la mutation majoritaire dans la population celte)
classe IV :
le canal chlore fonctionne mal (ex: Arg117Cys);
classe V :
la protéine CFTR est normale, mais la quantité de protéine est insuffisante pour le fonctionnement normal de la cellule (ex: 2789+5G->A)

Il faut à nouveau préciser que le nombre de mutations associés à des dysfonctionnements cellulaires est extrêmement réduit (une cinquantaine) par rapport aux 1932 mutations connues (voir figure et site ci-dessus).


« Contrairement à ce que laissent entendre les expressions courantes, et pas seulement sous les plumes incompétentes ou paresseuses, de « gène du cancer », « gène de la mucoviscidose », « gène de l'obésité », etc., les gènes codent pour des protéines - et sûrement pas pour des entités dont la caractérisation selon une causalité linéaire en termes de macromolécules biologiques n'est pas encore connue! En effet, le fait d'établir une corrélation entre deux éléments (le gène et le caractère phénotypique) ne démontre pas par lui-même le lien de causalité qui les unit. L'expression des gènes est donc le mécanisme par lequel un gène (i.e. une séquence de nucléotides) produit une protéine, via une série d'étapes compliquées dont nous ne donnerons que les moments les plus importants.» Marc Silberstein, Jean-Jacques Kupiec et Olivier Gandrillon, De la nécessité du hasard en biologie, in Le Hasard au cœur de la cellule, Editions matériologiques, février 2011 (je suis partisan d'aider à une diffusion aux étudiants et enseignants d'une version allégée (12,2 Mo tout de même) : sitepst(arobase)aliceadsl.fr).

liaison gène moléculaire - symptômes qualifiée de façon erronée de liaison génotype -phénotype (ces deux notions faisant référence à un gène héréditaire et non pas moléculaire)

 

* Les partisans d'une vision génétique pourront notamment s'enthousiasmer des millions dépensés actuellement dans le projet ENCODE sur le séquençage du génome humain non codant. On a ainsi mis en évidence d'innombrables séquences d'ADN non codant où se fixent des protéines régulatrices de la transcription de gènes impliqués dans de nombreuses maladies : Maurano, et al., 2012. Systematic localization of common disease-associated with variation in regulatory DNA. Science 337: 1190-1195 Je resterais plus prudent étant donné le peu de spécificité des séquences trouvées...

Les médecins affirmeront sans doute en aparté que les gènes n'expliquent pas tout (on trouve l'affirmation dans quelques présentations de cours de médecine) ou plutôt que tous les symptômes ne sont pas expliqués par le gène de la CFTR. Et pourtant, il est vraiment rare de voir cette question de la liaison génotype-phénotype traitée ou même soulevée.

Plus encore, poussés dans leur retranchement, ces mêmes médecins finiront probablement par se replier sur une explication moléculaire génétique du type de celle invoquée par M. Ferec ci-contre : l'épigénétique (qui est alors de la génétique déguisée, notamment par le recours aux "gènes modificateurs") et à l'environnement*.

« Ces données sont établies à partir de larges cohortes de patients (généralement issues des registres de mucoviscidose), si elles sont parfaitement vérifiées statistiquement, il n'en demeure pas moins que l'on peut observer une grande variabilité à l'échelle individuelle. Ainsi, un patient donné porteur de deux mutations sévères peut parfaitement présenter un phénotype relativement « peu sévère » pendant de nombreuses années et, à l'inverse, la présence d'une mutation qualifiée a priori de « peu sévère » chez un patient peut parfois s'accompagner d'une évolution rapide vers l'insuffisance respiratoire terminale. Ces données de corrélation génotype/phénotype doivent être maniées avec prudence, car, si elles sont globalement vraies lorsque l'on analyse un groupe de patients, elles doivent être utilisées avec la plus grande précaution à l'échelle individuelle.
Au-delà des mutations portées par le patient, la variabilité de l'expression de la maladie est aussi largement influencée par des facteurs d'environnement (tabagisme, pollution, facteurs socio-économiques, compliance au traitement, ...) et par d'autres facteurs génétiques que l'on appelle des gènes modificateurs (gènes impliqués dans la réponse immunitaire, dans l'inflammation, ...)
» (Ferec, 2011,
)


Plus grave encore, dans l'approche soutenue notamment par C. Ferec (voir la 1ère partie de la thèse d'Alix de Becdelievre de 2011 : Contribution à l'amélioration des connaissances sur la relation génotype-phénotype dans la mucoviscidose et caractérisation phénotypique de l'inflammation pulmonaire) on tente de séparer la mucoviscidose, maladie génique qui correspond aux formes plus ou moins sévères de la maladie , avec des pathologies mineures liées à des anomalies du gène CFTR (appelées CFTR-RD : RD signifiant related disorder) conduisant à des formes atypiques ou monosymptomatiques). Cette voie me semble particulièrement pernicieuse puisqu'elle contourne le problème sans questionner le modèle moléculaire de maladie génique. En fait elle renforce la modèle en excluant de l'analyse génétique héréditaire les formes qui ne cadrent pas avec l'idée d'une maladie génique autosomale.
La véritable question de la liaison entre le génotype et le phénotype est réellement celle d'un déterminisme qui est loin d'être démontrée : la possession d'un couple de formes gèniques (allèles) dans une cellule à un moment donné peut-elle induire, et avec quelle probabilité, telle caractéristique phénotypique, ici une maladie dans toute sa complexité et sa variabilité. Il ne s'agit pas de nier le rôle des gènes mais de questionner le déterminisme (voir cours de 1èreS).

On peut affirmer, sans rien inventer, en reprenant seulement les données des articles cités, que :

- il existe des malades qui n'ont pas de mutation de leur gène CFTR et qui présentent un ensemble de symptômes voisins de ceux qui semblent causés par la perte de fonction de la CFTR; il est sans aucun doute raisonnable de penser que le dysfonctionnement est peut-être situé au même niveau (de la CFTR), même si cela n'est pas prouvé et même s'il ne faut pas se fermer à d'autres interprétations qui ne mettraient pas en jeu directement un canal chlore.

- il existe une grande variabilité dans les symptômes qui n'est pas absolument reliée aux types de mutations portées. Il existe des cas, en plus ou moins grand nombre, de porteurs de double mutation (homozygote) "sévère" qui présentent de formes mineures de la maladie, voire même aucun symptôme, bien que ces cas soient effectivement rarissimes, car on ne va pas chercher les allèles morbides chez les individus sains (sauf lorsque l'on fait des analyses pour des arbres généalogiques en vue d'un conseil génétique).

- la majorité des mutations du gène de la CFTR n'ont pas de relation avec la fonction de la protéine, soit que l'on suspecte qu'elles font partie du polymorphisme, sans empêcher une fonction normale, soit que l'on pense ne pas encore connaître les conséquences de leur présence..


Conséquences du choix du modèle en terme de diagnostic, de conseil génétique et de recherche

Le conseil génétique est une branche de l'activité médicale qui repose sur le modèle de transmission héréditaire de type Mendel-Morgan mais qui s'est enrichi de la détection des séquences mutées du gène de la CFTR. En reprenant la même notation (m+ =allèle sain ; m- = allèle morbide) on suppose qu'il existe une liste de séquences de la CFTR qui correspondent à un allèle (ms-) qui, à l'état homozygote, causera une forme sévère de la maladie et à l'état hétérozygote avec un autre allèle morbide, de forme modérée (mm-) , causera une forme modérée de la maladie.

Je précise à nouveau que ces appellations de "sévère" et "modérée" ne procédent en aucun cas d'une observation directe de l'action sur des cellules en culture par exemple, mais bien de la fréquence de mutations associées statistiquement à des malades atteints de formes sévères ou modérées. C'est en quelque sorte un raisonnement circulaire (qui boucle sur lui-même), particulièrement difficile à débusquer.

génotype
phénotype
mm+ // mm+
mm+
// ms+
ms+ // ms+
mm- // mm+
mm- // ms+
ms- // ms+
ms- // mm+
sain
mm- // ms-
mm- // mm-
maladie modérée
ms- // ms-
maladie sévère

La probabilité qu'un individu quelconque soit porteur (m-//m+) est de 1/30 à 1/35 selon les régions.

On fait donc des tableaux de croisement (dits tableaux de gamètes qui indiquent les pourcentages des allèles portés par chaque cellule sexuelle et par chaque cellule œuf résultante:

homme \
femme
m+

(1-1/30)

m-

(1/30)

m+

(1-1/30)

m+//m+

(292/302= 0,93)

m+//m-

(29/302= 0,03)

m-

(1/30)

m+//m-

(29/302= 0,03)

m-//m-

(1/302= 0,0011)

probabilité phénotype sain = 292/302 + 2 x 29/302 = 0,9989
probabilité
phénotype malade = 1/302 = 0,0011



un arbre généalogique très théorique
(présentant les 4 cas possibles de descendants) d'une transmission héréditaire d'un gène autosomal récessif (génotypes : porteur sain = figuré semi-noirci; malade = noir, sain = blanc)

Comme il est fréquent que le test génétique soit réalisé pour un enfant en gestation, après l'arrivée d'un enfant malade, les probabilités sont changées: chaque parent étant "porteur sain" (m+//m-). La probabilité d'avoir un enfant atteint devient 1/4.

homme \
femme
m+

(1/2)

m-

(1/2)

m+

(1/2)

m+//m+

(1/4)

m+//m-

(1/4)

m-

(1/2)

m+//m-

(1/4)

m-//m-

(1/4)

probabilité phénotype sain = 3 x 1/4 = 0,75
probabilité
phénotype malade = 1/4 = 0,25

La détection des mutations chez le fœtus conduit à de très nombreux avortements appelé de façon éhontée "médicaux" qui sont loin de correspondre à un motif médical.

« ...la très grande majorité (96 %) des couples à risque de 1/4; pour lesquels le diagnostic de mucoviscidose fœtale est porté opte pour une demande d'Interruption pour motif Médical de la Grossesse (IMG). » L'usage du terme "mucoviscidose fœtale" est abusif. En effet, on ne sait pas quel sera le diagnostic chez l'enfant, puis l'adulte : il peut être sévère (même pour une mutation rare, voir même en l'absence de mutation) ou modéré (même pour une double mutation grave comme Δ508). C'est tout le problème de la relation génotype-phénotype.

Comme pour la trisomie 21 où le phénomène est patent, et dans une bien moindre mesure ici, on a tendance à abandonner la recherche de traitement au profit d'une sélection eugénique.


Soit on traite les causes (médecine préventive), soit les symptômes (médecine clinique). Comme on semble avoir renoncé à chercher d'autres causes que génétiques, on peut parfois se contenter du diagnostic génétique (et d'avortement dans 96 % des cas de détection chez le fœtus). Même dans le cas où il n'existe pas de cas dans la famille, mais que l'échographie a permis de poser un diagnostic (intestin hyperéchogène) de suspicion de pathologie, on a des taux très faibles d'association avec une mutation du gène CFTR (dans 3 à 5 % des cas pour ce symptôme...), qui elle non plus d'ailleurs, encore une fois, n'est pas un diagnostic de maladie (je n'ai pas trouvé le chiffre des cas répertoriés d'association avec la maladie CF).


4- Dépasser le modèle génique ?

En travaux

Tant que l'on recherchait un gène (ou plusieurs) de ce que l'on pensait déjà être une maladie héréditaire génique (depuis le début du siècle), on était très ouvert à l'intervention de plusieurs gènes et à d'autres interprétations non moléculaires de la maladie.
Une fois le gène CFTR localisé et isolé, on s'est focalisé sur les mutations de ce gène et sur les fonctions cellulaires de la protéine codée (CFTR) qui s'est révélée être en relation avec de nombreuses fonctions, en oubliant quelque peu les autres interprétations d'une origine complexe de la maladie. Si l'on veut sortir de cette ornière, il est nécessaire d'aller chercher des publications anciennes qui proposent des pistes intéressantes qui peuvent être à nouveau explorées et de dépasser les interprétations simplistes données dans les articles récents. Qui suis-je pour faire ce travail ? Il est évident que tous mes propos restent biologiques et ne sont jamais à visée médicale. Je comprends que les médecins se soient approprié le modèle simple de la maladie génique, mais leur pratique leur montre chaque jour que leurs patients ne rentrent pas bien dans ce cadre.

Les hypothèses physiologiques et cellulaires à l'origine des pathologies de la CF sont habituellement reliées aux différents rôles de la CFTR dont la liste s'allonge, mais si l'on supprime le parti-pris du fonctionnement de la protéine canal, il n'en reste pas moins que ces hypothèses peuvent servir à préciser les causes de la maladie à un autre niveau qu'au niveau moléculaire.

Quatre hypothèses pouvant intervenir ensemble (in O'Sullivan and Freedman, 2009, traduction personnelle):

« - l'hypothèse du faible volume d'eau : la réabsorption de l'eau (donc un excès d'hydratation cellulaire) et l'excès de sodium extracellulaire conduiraient à la déshydratation des voies respiratoires.La diminution simultanée de la sortie d'ion chlorure empêche l'épithélium de corriger le volume d'eau au niveau des voies respiratoires. La diminution du volume d'eau entourant la zone ciliée a pour conséquence la réduction de la lubrification de la couche située entre les cellules épithéliales et le mucus, avec une compression des cils par le mucus qui inhibe la formation normale des cils et le renouvellement du mucus par la toux. Selon cette hypothèse le mucus forme des plaques sur l'épithélium qui sont des niches anoxiques favorables à l'hébergement de bactéries, tout particulièrement Pseudomonas aeruginosa.

- l'hypothèse de la forte teneur en sel : des ions chlorures et sodium se trouveraient retenus en excès dans le liquide des voies respiratoires. L'augmentation de la concentration en chlorure au niveau périciliaire perturberait la fonction antibiotique naturelle de molécules (comme la ß-défensine1) , permettant ainsi à des bactéries qui sont normalement détruites dans les voies respiratoires de persister dans les poumons.

- l'hypothèse de la dérégulation des la réponse immunitaire de l'hôte : en effet des concentrations anormalement élevées de médiateurs de l'inflammation sont observés dans les cultures de cellules atteintes de CF pourtant non infectées. De plus, des études de lavage de poumons ont montré que l'inflammation présente chez les enfants de moins de 4 semaines est indépendante d'une quelconque infection. Une augmentation des molécules favorisant l'inflammation, comme les interleukines 8 et 6, le facteur de nécrose des tumeurs alpha, et des métabolites de l'acide archidonique, a été observée chez des patients atteints de CF. La stimulation de la voie du facteur nucléaire kB, une hyperréactivité des plaquettes et des anomalies dans l'apoptose des neutrophiles, ont été signalées. En même temps la concentration de substances bnaturelles anti-inflammatoires comme l'interleukine 10, la lipoxine et l'acide docosahexaenoique, est réduite, conduisant à un déséquilibre entre les médiateurs pro et anti-inflammatoires qui favorise dans tous les cas l'inflammation.

- une dernière hypothèse repose sur un mécanisme de prédisposition à l'infection : si P. aeruginosa se fixe à la protéine fonctionnelle CFTR chez les individus sains, ce qui initie la réponse immunitaire innée, rapide et autocontrôlée, chez les patients atteints de CF la fixation de P. aeruginosa et de Staphylococcus aureus qui augmente au niveau de l'épithélium des voies respiratoires est favorisée par l'augmentation de l'asialo-GM1 et se fait sans activer la réponse immunitaire initiée par la CFTR. Ainsi, lors d'une CF, la réponse rapide et auto-contrôlée qui devrait éliminer P. aeruginosa des voies aériennes est perdue en même temps que l'attachement des bactéries à la surface de l'épithélium est renforcé.»

en travaux


On voit donc que ces hypothèses, même reliées au fonctionnement de la CFTR (intervenant aussi bien dans l'osmorégulation que comme facteur immunitaire...), montrent que les perspectives sur des voies non moléculaires ne sont pas fermées.
Les hypothèses centrées sur les problèmes de la couche limite des cellules épithéliales (zone ciliée et glycocalix...) peuvent être abordées par des voies qui ne sont pas celles de la biologie moléculaire : la vision que l'on a de l'eau extracellulaire, comme un fluide plus ou moins concentré est particulièrement erronée
(voir page sur l'eau dans la cellule et page sur l'hydratation).
Les hypothèses centrées sur le rôle immunitaire de la CFTR permettent aussi d'envisager des explications qui ne se cantonnent pas au niveau moléculaire, même si l'immunité est parfois submergée par la recherche de marqueurs membranaires et autres cytokines. L'immunité est d'abord un phénomène cellulaire, les molécules n'étant que les outils ou les traces des phénomènes
(voir quelques idées dans l'ancienne page sur l'immunité et dans la page sur le VIH).

Si l'on persiste dans le modèle moléculaire, on arrive -peut-être- à l'idée que les interactions entre gènes sont si nombreuses (voir CFTR interactome) que l'on se demande bien comment une mutation plus ou moins invalidante peut être STABILISÉE chez les malades. C'est encore une fois de la complexité que naît l'incompréhension. S'il n'y a pas un seul gène, mais de nombreux gènes en interaction, comment un gène unique est-il devenu le point central de la recherche. Il n'est pas possible de penser que l'on soit passé à côté d'autres gènes essentiels, car alors, comment expliquer la forte association entre certaines mutations de ce gène et la maladie. Que la corrélation génotype-phénotype soit plus ou moins bonne est très facilement explicable, au moins de façon floue, par le recours à l'extrême complexité de l'expression de l'information génétique. Une fois encore on se demande s'il ne serait pas utile de faire une étude de répartition des allèles dans une population qui n'est pas à risque avec un échantillonnage suffisamment important (et non quelques témoins comme c'est l'usage).

Une idée classique serait que les malades ne sont pas malades parce qu'ils ont tel allèle, mais bien parce qu'ils ne compensent pas le dysfonctionnement. Il devient alors plus facile d'envisager d'autres causes qui ne sont pas directement reliées au canal CFTR. On peut rester dans le modèle moléculaire, que l'on peut aussi modifier à l'aide du modèle stochastique (théorie ESG, de l'expression stochastique des gènes).


en travaux

Une dernière piste :
Si l'on s'efforce d'abandonner le paradigme moléculaire et l'on cherche à définir l'origine de la mucoviscidose avec des données plus cellulaires que moléculaires, il faut probablement s'intéresser aux lignées chez l'embryon. Les problèmes de sécrétion des cellules épithéliales, comme celui des cellules sanguines atteintes, avant d'être un problème de balance ionique et d'hydratation, est un problème nutritionnel qui peut peut-être être formalisé de façon plus large par des fonctions. Il esttrès difficile pour un biologiste actuel de s'affranchir des représentations mentales moléculaires qu'il a du phénomène d'hydratation/nutrition. Et pourtant, c'est à ce prix que l'on peut formaliser autrement l'hypersécrétion et l'inflammation des surfaces épithéliales mais aussi des lignées sanguines atteintes.